Supraleitung

Werner Buckel, Reinhold Kleiner
Supraleitung
Grundlagen und Anwendungen
6., vollständig überarbeitete
und erweiterte Auflage
XI
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.5.1
1.5.2
Grundlegende Eigenschaften von Supraleitern 11
Das Verschwinden des elektrischen Widerstandes 11
Idealer Diamagnetismus, Flussschläuche und Flussquantisierung 22
Die Flussquantisierung im supraleitenden Ring 29
Supraleitung: ein makroskopisches Quantenphänomen 32
Quanteninterferenzen 46
Josephsonströme 47
Quanteninterferenzen im Magnetfeld 60
Literatur 73
2
2.1
2.2
2.3
2.3.1
2.3.2
2.3.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.8.1
2.8.2
2.9
2.10
Supraleitende Elemente, Legierungen und Verbindungen 75
Vorbemerkung: Konventionelle und unkonventionelle Supraleiter 75
Supraleitende Elemente 78
Supraleitende Legierungen und metallische Verbindungen 83
Die ß-Wolfram-Struktur 83
Magnesium-Diborid 86
Metall-Wasserstoff-Systeme 87
Fulleride
88
Chevrel-Phasen und Borkarbide 89
Schwere-Fermionen-Supraleiter 92
Natürliche und künstliche Schichtsupraleiter 94
Die supraleitenden Oxide 97
Kuprate 97
Wismutate, Ruthenate und andere oxidische Supraleiter 103
Organische Supraleiter 104
Supraleiter durch Feldeffekt? 207
Literatur 109
3
3.1
3.1.1
3.1.2
Die Cooper-Paarung 115
Konventionelle Supraleitung 115
Cooper-Paarung durch die Elektron-Phonon-Wechselwirkung 115
Der supraleitende Zustand, Quasiteilchen und die BCS-Theorie 123
XII
Inhaltsverzeichnis
3.1.3
3.1.3.1
3.1.3.2
3.1.4
3.1.4.1
3.1.4.2
3.2
3.2.1
3.2.2
3.2.3
4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.6.1
4.6.2
4.6.3
4.6.4
4.6.5
4.6.6
4.7
4.7.1
4.7.2
4.8
4.9
Experimente zur unmittelbaren Bestätigung der Grundvorstellungen
über den supraleitenden Zustand 128
Der Isotopeneffekt 129
Die Energielücke 132
Absorption elektromagnetischer Strahlung 132
Ultraschallabsorption 134
Tunnelexperimente 135
Spezielle Eigenschaften der konventionellen Supraleiter 148
Der Einfluss von Gitterstörungen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 148
Der Anisotropieeffekt 148
Der Valenzeffekt 150
Die Elektron-Phonon-Wechsel Wirkung 152
Der Einfluss paramagnetischer Ionen auf die konventionelle
Cooper-Paarung 155
Unkonventionelle Supraleitung 161
Allgemeine Gesichtspunkte 161
Hochtemperatursupraleiter 167
Schwere Fermionen, Ruthenate und andere unkonventionelle
Supraleiter 185
Literatur 192
Thermodynamik und thermische Eigenschaften des supraleitenden
Zustandes 197
Allgemeine Vorbemerkungen zur Thermodynamik 198
Die spezifische Wärme 202
Die Wärmeleitfähigkeit 205
Grundzüge der Ginzburg-Landau-Theorie 209
Die charakteristischen Längen der Ginzburg-Landau-Theorie 212
Typ-I-Supraleiter
im Magnetfeld 218
Das kritische Feld und die Magnetisierung stabförmiger Proben 218
Die Thermodynamik des Meißner-Zustandes 223
Kritisches Magnetfeld dünner Schichten in einem Feld parallel zur
Oberfläche 227
Der Zwischenzustand 228
Die Phasengrenzenergie 233
Der Einfluss von Druck auf den supraleitenden Zustand 236
Typ-II-Supraleiter im Magnetfeld 241
Magnetisierungskurve und kritische Felder 243
Die Shubnikov-Phase 254
Fluktuationen oberhalb der Sprungtemperatur 265
Zustände außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts 270
Literatur 275
Inhaltsverzeichnis XIII
5
5.1
5.2
5.3
5.3.1
5.3.2
5.3.2.1
5.3.2.2
5.3.2.3
Kritische Ströme in Supraleitern 1. und 2. Art 281
Die Begrenzung des Suprastroms durch Paarbrechung 281
Typ-I-Supraleiter 283
Typ-II-Supraleiter 289
Ideale Typ-II-Supraleiter 290
Harte Supraleiter 294
Die Verankerung von Flussschläuchen 295
Die Magnetisierungskurve von harten Supraleitern 299
Kritische Ströme und Strom-Spannungs-Kennlinien 309
Literatur 317
6
6.1
6.1.1
6.1.2
6.2
6.3
6.4
6.5
6.5.1
6.5.2
Josephsonkontakte und ihre Eigenschaften 319
Stromtransport über Grenzflächen im Supraleiter 319
Supraleiter-Isolator-Grenzflächen 319
Supraleiter-Normalleiter-Grenzflächen 326
Das RCSJ-Modell 334
Josephsonkontakte unter Mikrowelleneinstrahlung 340
Flusswirbel in ausgedehnten Josephsonkontakten 343
Quanteneigenschaften von supraleitenden Tunnelkontakten 355
Coulomb-Blockade und Tunneln einzelner Ladungen 355
Flussquanten und makroskopische Quantenkohärenz 361
Literatur 364
7
Anwendungen der Supraleitung 367
7.1
Supraleitende Magnetspulen 369
7.1.1
Allgemeine Aspekte 369
7.1.2
Supraleitende Kabel und Bänder 370
7.1.3
Spulenschutz 379
7.2
Supraleitende Permanentmagnete 381
7.3
Anwendungen für supraleitende Magnetspulen 384
7.3.1
Kernspinresonanz 384
7.3.2
Kernspintomographie 388
7.3.3
Teilchenbeschleuniger 389
7.3.4
Kernfusion 391
7.3.5
Energiespeicher 393
7.3.6
Motoren und Generatoren 395
7.3.7
Magnetische Separation 396
7.3.8
Schwebezüge 396
7.4 Supraleiter für die Leistungsübertragung: Kabel, Transformatoren
und Strombegrenzer 397
7.4.1
Supraleitende Kabel 398
7.4.2
Transformatoren 400
7.4.3
Strombegrenzer 401
XIV
Inhaltsverzeichnis
7.5
7.5.1
7.5.2
7.5.3
7.6
7.6.1
7.6.2
Supraleitende Resonatoren und Filter 402
Das Hochfrequenzverhalten von Supraleitern 402
Resonatoren für Teilchenbeschleuniger 407
Resonatoren und Filter für die Kommunikationstechnik 410
Supraleiter als Detektoren 414
Empfindlichkeit, thermisches Rauschen und Störeinflüsse 415
Inkohärente Strahlungs- und Teilchendetektion: Bolometer und
Kalorimeter 416
7.6.3
Kohärente Strahlungsdetektion und -erzeugung: Mischer,
Lokaloszillatoren und integrierte Empfänger 420
7.6.4
Quanteninterferometer als Magnetfeldsensoren 427
7.6.4.1
SQUID-Magnetometer: Grundlegende Konzepte 428
7.6.4.2
Störsignale, Gradiometer und Abschirmungen 439
7.6.4.3 Anwendungen von SQUIDs 442
7.7
Supraleiter in der Mikroelektronik 446
7.7.1 Spannungs Standards 446
7.7.2
Digitalelektronik mit Josephsonkontakten 450
Literatur 455
Monographien und Stoffsammlungen 461
Ausblicke 465
Stichwortverzeichnis 471